Eléments d acoustique

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1 Eléments d acoustique DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 1/56 Nature physique du son Le son, phénomène physique capable d'éveiller la sensation auditive, se propage sous forme d'onde sonore ou onde acoustique. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 2/56

2 Nature physique du son Les ondes sonores se propagent dans: Les liquides Les solides Les gaz L'air est le milieu qui permet l'accès principal à l'appareil auditif humain. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 3/56 Propagation, Vitesse La vitesse de propagation du son dans un milieu est liée à la masse volumique de ce milieu et à son élasticité Air m/s Eau m/s Acier m/s Aluminium m/s DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 4/56

3 La pression est une grandeur physique homogène au rapport d une force par unité de surface. Dans le système international SI: La force est exprimée en Newton ( N ) La surface en m 2 La pression en Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m 2 Autres unités La pression 1 bar = Pa = N/m 2 1 atmosphère = 1,013 bar = 1013 mbar = Pa DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 5/56 Pression acoustique Pression Pression acoustique Pression statique temps DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 6/56

4 Pression acoustique L'onde sonore se manifeste par une variation de la pression du milieu autour de la pression statique. Cette pression dynamique, ou encore pression acoustique a deux caractéristiques principales: - l'amplitude - la fréquence DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 7/56 Sensation sonore Son fort - son faible pression acoustique pression acoustique Bruit fort temps Bruit faible temps Pression acoustique élevée = bruit fort. Pression acoustique faible = bruit faible. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 8/56

5 Sensation sonore Son aigu - son grave pression acoustique Fréquence élevée pression acoustique Fréquence basse son aigu temps son grave temps Fréquence élevée = son aigu Fréquence basse = son grave DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 9/56 Fréquence - longueur d'onde Fréquence du son et vitesse de propagation déterminent la longueur d'onde: DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 10/56

6 Niveaux en décibels Les pressions acoustiques se situent dans une échelle très étendue La sensation sonore ne varie pas de façon linéaire avec la pression acoustique. Le décibel, unité basée sur une échelle logarithmique a été choisi pour mesurer les niveaux sonores. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 11/56 Logarithmes décimaux Le logarithme décimal d un nombre est égal à la valeur de la puissance à laquelle il faut élever 10 pour obtenir ce nombre. Il se note log x x = 10 log x DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 12/56

7 Fonction logarithme décimal ( pour 0,03 x 12 ) log x 1,50 1,00 0,50 0, ,50 x -1,00-1,50 DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 13/56 Logarithmes décimaux Exemples log 1 = 0 car 1 = 10 0 log 10 = 1 car 10 = 10 1 log 100 = 2 car 100 = 10 x 10 = 10 2 DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 14/56

8 Logarithmes décimaux log x 2 = 2 log x log (a x b) = log a + log b log 10 x = x DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 15/56 Niveau de pression en décibels L p = 10 log (p/p o ) 2 soit L p = 20 log p/p o La pression de référence p o est égale à 0,00002 Pa, soit Pa; c'est le seuil d'audition à environ 2500 Hz pour un sujet qui présente une audition normale. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 16/56

9 Echelle des niveaux en décibels L p db Seuil de la douleur Seuil d'auditon DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 17/56 Champ auditif humain Niveau de pression db db 140 Seuil de douleur O 20 Seuil d'audition Fréquence Hertz DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 18/56

10 Sensibilité de l'oreille La sensibilité de l'oreille est différente selon les fréquences. Ainsi 0 décibel à 2500 hz produit une sensation sonore, alors qu'il faudra 25 décibels à 100 hz pour produire une sensation sonore. C'est ce qui a conduit à utiliser, lors de la mesure du bruit, des courbes de pondération (A notamment). DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 19/56 Courbe de pondération A Niveau db 0 Courbe de pondération A Fréquence Hz DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 20/56

11 Pondérations - décibel (A) Le principe de la pondération consiste à corriger les niveaux en décibels physiques pour que les valeurs retenues soient à l'image de la sensation. On obtient de cette façon des niveaux en décibels dits «physiologiques», dont le plus utilisé est le décibel (A). DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 21/56 Opérations sur les niveaux en décibels L p1 L p2 L p? DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 22/56

12 Opérations sur les niveaux en décibels W 1 W 1 1 enceinte > L p1 2 enceintes ----> L p1 +3 db DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 23/56 Opérations sur les niveaux en décibels L p1 doublement de la pression acoustique L p2 = L p1 + 6 db L p1 doublement de la puissance L p2 = L p1 + 3 db DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 24/56

13 Opérations sur les niveaux en décibels Lorsque plusieurs sources de bruit fonctionnent simultanément et que l'on cherche à obtenir le niveau résultant, il faut recourir à un calcul basé sur l'addition des puissances mises en jeu par chacune des sources. La mise en œuvre de ce calcul a permis de construire un abaque qui facilite cette opération. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 25/56 Opérations sur les niveaux en décibels L p1 = 20 log (p 1 /p 0 ) = 10 log (p 1 /p 0 ) 2 L p2 = 20 log (p 2 /p 0 ) = 10 log (p 2 /p 0 ) 2 Il est possible de dire que le niveau Lp résultant du fonctionnement simultané des deux sources, produisant respectivement les niveaux L p1 et L p2,est celui d une source ayant une puissance égale à la somme des puissances des sources produisant L p1 et L p2 DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 26/56

14 Opérations sur les niveaux en décibels (p 1 /p 0 ) 2 et (p 2 /p 0 ) 2 sont homogènes à des rapports de puissances; il est possible de les additionner. log (p 1 /p 0 ) 2 = L p1 /10 et log (p 2 /p 0 ) 2 = L p2 /10 (p 1 /p 0 ) 2 = 10 Lp1 /10 et (p 2 /p 0 ) 2 = 10 Lp2 /10 L p = 10 log [(p 1 /p 0 ) 2 + (p 2 /p 0 ) 2 ] DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 27/56 Opérations sur les niveaux en décibels L p = 10 log [10 Lp1 / Lp2 /10 ] L p = 10 log [10 Lp2 /10 ( (Lp1- Lp2) /10 )] L p = L p log ( (Lp2- Lp1) /10 ) L DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 28/56

15 Abaque de combinaison des niveaux sonores 3,0 2,5 L 2,0 L = 1,2 db 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 L p2 -L p1 L p2 = 90 db(a) L p1 = 85dB(A) L p2 L p1 = 5 db(a)----> L = 1,2 db L p = ,2 = 91,2 db(a) DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 29/56 Opérations sur les niveaux en décibels On constate que pour une différence nulle, la correction est de 3 db, ce qui est un résultat déjà connu. Lorsque la différence excède 10 db, la correction est de l'ordre de 0,4 db: c'est la source la plus forte qui impose son niveau. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 30/56

16 Opérations sur les niveaux en décibels L p? DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 31/56 Combinaison de plusieurs niveaux en décibels Lp 1 = 88 Lp 2 = 90 Lp 3 = 87 Lp 4 = 88 L p? Lp 5 = 78 Lp 6 = 80 DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 32/56

17 Opérations sur les niveaux en décibels Le principe consiste ensuite à regrouper les sources par deux, à calculer la différence entre les deux valeurs et à ajouter à la plus forte des deux la correction indiquée par l'abaque. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 33/56 Combinaison de plusieurs niveaux en décibels L p1 = 88 92,2 L p2 = 90 L p3 = 87 L p4 = 88 90,5 92,7 90,5 L p =94,7 db L p5 = 78 L p6 = 80 82,2 DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 34/56

18 Le temps L pa variation du niveau en fonction du temps durée d'exposition temps DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 35/56 Le temps Le temps est un paramètre important. Il est à considérer sous deux aspects: la variation du niveau sonore en fonction du temps; le temps pendant lequel un opérateur est exposé à un niveau sonore. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 36/56

19 Caractéristiques fondamentales d'un bruit - Niveau en décibels - Contenu en fréquence - Variation du niveau en fonction du temps DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 37/56 Eléments déterminant l'exposition sonore - Temps d'exposition (lié à l'activité). - Caractéristiques du bruit (niveau, fréquence, variation en fonction du temps). DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 38/56

20 Puissance acoustique Puissance acoustique W Puissance électrique P DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 39/56 Puissance acoustique La puissance acoutique est une caractéristique intrinsèque d'une source de bruit. Pour produire du bruit, il faut que la source mette en vibration les particules d'air qui l'entourent. Cette puissance à caractère mécanique qu'elle leur transmet est la puissance acoustique. Elle est notée W, elle se mesure en watt. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 40/56

21 Puissance acoustique La puissance acoustique est une grandeur de première importance, notamment dans le cadre de la réduction du bruit. Il n'est pas possible de caractériser une source de bruit par le seul niveau de la pression acoustique car celui-ci, mesuré en un point, est le résultat du couplage de la source avec l'environnement. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 41/56 Puissance acoustique L p1 L p2 L p1 L p2 Champ libre W Isolement t 1 t 2 t 2 W t 1 Murs noircis E 1 E 2 E 1 E 2 W DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 42/56

22 Puissance acoustique Un radiateur électrique est caractérisé par sa puissance et non pas par une température; Une lampe électrique par sa puissance et non pas par l'éclairement qu'elle procure. Une source sonore est caractérisée par sa puissance acoustique et non pas par la pression acoustique qu'elle produit en un point donné. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 43/56 Niveau de puissance en décibels Un niveau de puissance en décibel s'exprime par : L w = 10 log W/Wo W = puissance à évaluer en décibels Wo = puissance de référence La puissance acoustique de référence vaut: watt. 1 watt acoustique conduit à un niveau L w = 120 db DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 44/56

23 Intensité acoustique S I = W S DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 45/56 Intensité acoustique La notion d'intensité est souvent associée à la notion subjective de niveau de perception. Un son fort sera considéré comme ayant une forte intensité Physiquement, l'intensité acoustique est la puissance m acoustique qui traverse un élément de 2 surface. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 46/56

24 Intensité acoustique L'intensité acoustique notée I est telle que I = W/S S étant un élément de surface et W la puissance acoustique qui le traverse I se mesure en Watt /m 2 DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 47/56 Niveau d'intensité en décibels La référence choisie est: I o = watt/m 2 Le niveau d'intensité acoustique en décibels est L i = 10 log I/I o DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 48/56

25 Niveaux en décibels L w = 10 log W/W o W o =10-12 watt L i = 10 log I/I o I o = watt/m 2 L P = 20 log p/p o p o = Pa DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 49/56 Valeur efficace - valeur de crête pression (pression) 2 (valeur efficace) 2 pression de crête temps temps DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 50/56

26 Valeur efficace de la pression Pour évaluer l'amplitude d'une pression acoustique, qui varie en permanence,on utilise la notion de valeur efficace. La valeur efficace d'un signal est liée à la puissance qu'il met en jeu. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 51/56 Valeur efficace de la pression Une définition simple est :"La valeur efficace de l'amplitude d'un signal variable en fonction du temps est égale à la valeur de l'amplitude d'un signal constant qui mettrait en jeu la même puissance". DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 52/56

27 Valeur efficace de la pression même puissance dissipée 220 volts efficace 220 volts = continu Un exemple: La valeur efficace de la tension électrique alternative du secteur est de 220 Volts; ce qui signifie qu'elle dissiperait dans une résistance la même puissance qu'une tension continue de 220 volts. DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 53/56 Pression de crête pression pression de crête p c temps La pression de crête est la valeur maximale de la pression observée sur une période donnée DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 54/56

28 Le champ libre L p 6 db champ libre x 2x 3x 4x 5x 6x 7x distance DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 55/56 Le champ reverbéré L p < 6 db Champ reverbéré champ libre x 2x 3x 4x 5x 6x 7x distance DU Bruit-2-Eléments d'acoustique-paul Guenoun. Utilisation et/ou reproduction non autorisées sans accord écrit de l auteur 56/56